3D打印器官正在變成現實
魔猴君 行業資訊 534天前
2023年6月7日，魔猴網了解到，美國《財富》雜志網站報道，3D打印器官可能很快變成現實。主要內容編譯如下：
去年，在得克薩斯州的圣安東尼奧，醫生阿圖羅·博尼拉小心翼翼地為一名天生沒有右耳的20歲女士移植了一只外耳。這是按照她左耳的大小和形狀對稱制造的。
博尼拉是一名從業超過25年的兒童小耳癥外科醫生(治療耳朵先天缺陷的醫生)，也是該領域公認的專家。對博尼拉來說，這種手術很平常。但這個病例有不同尋常之處：移植的耳朵是用這位女士自身的軟骨細胞通過3D生物打印機制作出來的。這種情況對于博尼拉的職業生涯來說尚屬首次。
博尼拉說，移植手術“平淡無奇”。無論如何，這實在過謙了。
從近乎科幻的領域到思想萌芽，再到實際的科學，3D生物打印正在醫學研究的各個方面取得進展。而現在，人們已開始實踐這項技術。發展的步伐是緩慢的，一些最雄心勃勃的3D打印計劃還要幾十年才會完成。但進步是實實在在的。
以色列特拉維夫大學組織工程學和再生醫學主任塔勒·德維爾教授說：“我認為，10年后我們將獲得用于移植的各種器官。我們將從皮膚和軟骨等簡單器官開始，然后我們將轉向更復雜的組織——最終是心臟、肝臟和腎臟。”
聽起來很神奇，但它已經發生了。多層次的皮膚、骨骼、肌肉結構、血管、視網膜組織以及一些微型器官都已被3D打印出來。雖然目前還沒有一種打印產品得到批準以用于人類，但沿科學時間軸的賽跑是激動人心的。
據2022年的一份摘要和從事仿生胰腺研究的米哈烏·弗紹瓦博士介紹，波蘭研究人員通過3D生物打印制造了一個胰腺的功能原型，在兩周的觀察期內，該原型在豬體內實現了血流的穩定。聯合治療公司通過3D打印制造了一個人類肺支架，它有4000公里長的毛細血管和2億個肺泡，能夠在動物模型中進行氧氣交換。這是創造可移植的人類肺臟的關鍵一步。科研人員則希望，爭取在五年內得以開展相關的肺臟移植人體試驗。
在韋克福里斯特大學再生醫學研究所，科學家們開發了一種移動皮膚生物打印系統。在不太久的將來，他們期待能夠將打印機直接推到有著難愈傷口(如燒傷)的患者床邊，然后掃描和測量傷口區域，并一層一層地將皮膚直接3D打印到傷口表面。他們的工作還有更多進展。他們通過3D打印生成了骨骼肌。實驗顯示，這些骨骼肌可以在嚙齒類動物身上實現收縮，并在八周內使前腿肌肉中80%以上先前喪失的肌肉功能得以恢復。
德維爾的實驗室已經通過3D打印制造出一顆“兔心大小”的心臟，它有著細胞、腔室、主要血管和心跳。德維爾說，制造全尺寸的人類心臟需要同樣的基本技術，盡管放大尺寸的過程會非常復雜。德維爾說：“我們現在正在研究起搏細胞、心房細胞和心室細胞。情況看起來不錯。我相信，這就是未來。”
3D生物打印的原理
對人體器官進行3D打印是一個了不起的理念。美國衛生資源和服務局的數據顯示，目前有近10.6萬美國人在等待獲得器官捐獻，每天有17人在等待中死亡。使用患者自身細胞制造器官的3D打印過程不僅可能會減少這種等待，還會大大降低發生器官排異反應的概率，并可能消除對有害的終生免疫抑制藥物的需求。
斯坦福大學生物工程系的助理教授馬克·斯凱拉-斯科特說：“將不同類型的細胞放在準確的位置上以構建復雜組織的能力，以及整合可以輸送必要的氧氣與營養物質以保持細胞存活的血管的能力，是革新組織工程學的兩項(3D)技術。在過去的20年里，該領域發展非常迅速，從打印膀胱到如今打印多細胞組織(這些組織帶有可以同泵相連接的血管)，以及一些復雜的3D模型(這些模型類似心臟組件，帶有經集成的心臟細胞)。”
在3D生物打印中，關鍵在于細胞。該過程從生成研究人員想要進行生物打印的細胞開始，然后細胞會根據指令變成某器官所特有的細胞類型。隨后，這些細胞被轉變成可打印的生物墨水，這涉及將它們與明膠或褐藻酸鹽等材料混合，以使它們具有類似牙膏的黏稠度。斯坦福大學的實驗室正在研究，如果干細胞以很高的密度擠在一起，它們如何自然地形成這種黏稠物，這會讓3D打印器官完全由患者自身的細胞來形成。
斯凱拉-斯科特說，生物墨水會被裝入注射器，并從噴嘴擠出，“就像蛋糕上的糖霜”。這就是實際的3D生物打印過程，它通常包括制造不同類型的細胞，每種細胞都裝入一個不同的噴嘴。德維爾說，打印微型心臟花了大約4小時。一旦完成，打印出的組織有時會與泵相接，這個泵將驅動氧氣和營養物質通過該組織。隨著時間的推移，組織會自行發育，成熟度和功能也會增加。
這個大致的過程——雖然在這里被大大簡化了——生成了博尼拉在得克薩斯州開展的移植手術中所用的外耳。在過去的大多數小耳癥手術中，博尼拉會從病人的肋骨上提取軟骨，以形成新的外耳。這一次，博尼拉對患者的另一只耳朵進行了一個小規模的活檢，從活檢中提取的軟骨細胞經過培養形成了數十億個細胞，這些細胞通過3D打印構成新的移植物。
博尼拉說：“與任何研究一樣，為了嘗試改進這項技術，未來會在各種患者身上重復3D打印器官移植手術。我們不確定這將在何時成為主要治療方法，但前景是非常令人振奮的。”
3D生物打印的優勢
韋克福里斯特大學的科學家多年來一直在實驗室里培育器官和組織。他們在實驗室里用3D打印技術制造了一個微型腎臟和一個微型肝臟。下一項挑戰是制造更大、更堅實的結構，并更充分地模擬器官功能。哈佛大學生物啟發工程學教授珍妮弗·劉易斯說：“我們距離實現器官規模上的這一目標還很遠。”
韋克福里斯特大學再生醫學學院的創始主任安東尼·阿塔拉說：“我們已經能夠打印像皮膚這樣的扁平結構，像血管這樣的管狀結構，或者像膀胱這樣的空心非管狀器官。”阿塔拉說，較大的實心器官是不同的，這是“因為血管分布和營養方面的挑戰。每厘米有那么多細胞”。
在某種程度上，有關細胞生成，問題在于質量。科學家們已經能夠由干細胞制造出心臟細胞，但這個細胞卻不會像你的心臟細胞那樣強有力地跳動。生成的肝細胞和腎細胞也存在類似問題。斯凱拉-斯科特說：“在某些方面，3D生物打印領域正在等待基礎生物學領域的科學家取得重大突破。”
還有數量的問題。德維爾說，制造一顆心臟需要“數以十億計的細胞——而且你需要不同的細胞，甚至不同的心肌細胞”。斯凱拉-斯科特則說，為了給單個器官制造足夠的細胞，一個設施需要安裝一個10升的攪拌缸，每天可能要投入5000美元的材料，并連續運作幾個月。最終目標是一個月制造數千個器官，而不是一個。
3D生物療法公司的首席執行官兼聯合創始人丹·科恩說，除此之外，還有組織如何融入人體，以及如何得到人體(包括血管、神經和多種細胞構成的復雜網絡)的支持等問題。科恩說：“這不是說做不到。我對生物打印和更廣泛意義上的再生醫學抱有很大希望。”科恩20年前就開始在生物打印領域開展工作，當時該領域還沒有一個正式的名字。
即使在短期內，進步也是顯而易見的。劉易斯說，哈佛大學的研究人員從人類多能干細胞中培育出了心肌細胞，然后將它們植入帶有集成傳感器的生物工程芯片，這些傳感器可以追蹤跳動的組織。這種裝在芯片上的3D打印心臟可用于測試各種心臟病藥物的潛在毒副作用，并可能減少對動物試驗的需求。
阿塔拉說：“3D打印機帶來了一些優勢。首先是便于擴大器官制造規模，因為可以讓自動化的打印機來工作，而不是一次手動制作一個組織或器官。第二個優勢在于精確度。我們可以更精確地把這些細胞安置在需要它們的地方。”
還有降低總體成本的優勢，因為3D打印允許擴大制造規模。還有阿塔拉所說的“再生性”——一種一遍又一遍地制造相同結構的方法。在器官移植方面，由患者自身細胞制成的新器官可以大大降低發生排異反應的可能性。
大多數研究人員認為，全尺寸3D打印人體器官移植還需要20到30年的時間才會實現。德維爾說：“最終，展望未來，我們將不需要心臟捐贈。我們將不需要肝臟捐贈。這是我的看法，我很樂觀。我認為，要不了20年，各種3D打印器官移植就會成為現實。”這是科學，而非科幻。
來源：南極熊
